محاسبه نیروی پیش‌بارگذاری (Preload) یکی از مهم‌ترین مباحث مهندسی در طراحی اتصالات پیچی است. این نیرو، نیروی کششی اولیه‌ای است که در پیچ ایجاد می‌شود، زمانی که پیچ با گشتاور (Torque) مشخصی سفت می‌شود. پیش‌بارگذاری تضمین می‌کند که قطعات متصل، در حین کارکرد و تحت بارهای خارجی، به هم فشرده باقی بمانند و از حرکت نسبی آن‌ها جلوگیری شود.
۱. تعریف نیروی پیش‌بارگذاری (Preload)
نیروی پیش‌بارگذاری (F_p)، نیروی محوری است که در پیچ در نتیجه سفت کردن مهره یا سرپیچ ایجاد می‌شود و باعث کشش پیچ و فشرده‌سازی قطعات متصل می‌شود.
هدف از Preload
- جلوگیری از لغزش: مهم‌ترین هدف، ایجاد اصطکاک کافی بین قطعات متصل برای جلوگیری از لغزش یا حرکت در هنگام اعمال بار خارجی است.
- افزایش مقاومت در برابر خستگی: پیش‌بارگذاری صحیح باعث می‌شود که دامنه تغییرات تنش در پیچ تحت بارگذاری‌های دینامیک (سیکلی) به حداقل برسد، که این خود، عمر خستگی پیچ را به شدت افزایش می‌دهد.
- ایجاد مهر و موم: در کاربردهایی که نیاز به آب‌بندی یا گازبندی دارند (مانند فلنج‌ها)، پیش‌بارگذاری مناسب، فشرده‌سازی کافی واشرها و گسکت‌ها را تضمین می‌کند.
۲. روش‌های محاسبه و تخمین Preload
محاسبه دقیق Preload به دلیل عوامل متعددی مانند اصطکاک (Friction) در رزوه و زیر مهره، پیچیده است. با این حال، معمولاً از دو روش اصلی استفاده می‌شود:
الف) روش مبتنی بر گشتاور (Torque-Based Method)
رایج‌ترین روش در صنعت است، زیرا سفت کردن با آچار گشتاور (Torque Wrench) آسان است. با این حال، این روش کمترین دقت را دارد زیرا بخش عمده‌ای از گشتاور (حدود 80 تا 90 درصد) صرف غلبه بر اصطکاک می‌شود، نه ایجاد کشش در پیچ.
فرمول تقریبی گشتاور مورد نیاز (T) برای دستیابی به پیش‌بارگذاری مشخص (F_p) به صورت زیر است:
T = K cdot F_p cdot d
- T: گشتاور اعمال شده (N cdot m یا lb cdot ft).
- F_p: نیروی پیش‌بارگذاری مورد نظر (N).
- d: قطر اسمی پیچ (m یا in).
- K (ضریب گشتاور مهره): یک ضریب تجربی بدون بُعد که نماینده اصطکاک است.
- برای پیچ‌های خشک و بدون روان‌کننده: K approx 0.2
- برای پیچ‌های روغن‌کاری شده: K approx 0.15 تا 0.18
مثال: اگر یک پیچ M10 (قطر d = 0.01 m) نیاز به پیش‌بارگذاری F_p = 25 kN (25000 N) داشته باشد و K = 0.2 باشد، گشتاور مورد نیاز خواهد بود:
T = 0.2 times 25000 N times 0.01 m = 50 N cdot m
ب) روش مبتنی بر تنش تسلیم (Yield Strength Method)
در طراحی مهندسی، هدف این است که نیروی پیش‌بارگذاری به نسبتی از تنش تسلیم (S_y) پیچ برسد. این روش استحکام نهایی اتصال را به حداکثر می‌رساند بدون آنکه پیچ دچار تغییر شکل دائمی شود.
پیش‌بارگذاری توصیه شده (F_p):
F_p = A_t cdot (0.6 to 0.9) cdot S_y
- A_t (مساحت تنش کششی): سطح مقطع مؤثر پیچ برای تحمل بار کششی.
- S_y (تنش تسلیم): نقطه‌ای که بعد از آن پیچ دچار تغییر شکل پلاستیک دائمی می‌شود (مثلاً برای پیچ 8.8، S_y approx 640 MPa).
رایج‌ترین توصیه: تنظیم پیش‌بارگذاری بر روی 75 تا 80 درصد تنش تسلیم پیچ است.
۳. روش‌های دقیق‌تر برای کنترل Preload
در کاربردهای حیاتی (مانند موتورها، تجهیزات هوافضا)، دقت روش گشتاور کافی نیست، بنابراین از روش‌های زیر استفاده می‌شود:
الف) روش زاویه‌ای (Turn-of-Nut Method)
پس از سفت شدن اولیه (گشتاور کم)، مهره به اندازه یک زاویه مشخص (مثلاً 90 یا 120 درجه) چرخانده می‌شود. این چرخش باعث ایجاد کشش قابل پیش‌بینی در طول پیچ و در نتیجه ایجاد نیروی پیش‌بارگذاری دقیق‌تر می‌شود.
ب) روش کشیدگی (Stretch Measurement)
دقیق‌ترین روش است. قبل از سفت کردن، طول پیچ اندازه‌گیری می‌شود. پس از سفت شدن، طول دوباره اندازه‌گیری می‌شود. از آنجایی که نیرو و کشیدگی (تغییر طول) در ناحیه الاستیک یک رابطه خطی دارند (F = k cdot Delta L):
Delta L = fracF_p cdot L_gA_t cdot E
- Delta L: مقدار کشیدگی (تغییر طول).
- L_g: طول چنگش پیچ (طول درگیر بین سر و مهره).
- E: مدول الاستیسیته جنس پیچ.
ج) واشرهای نشانگر (Tension Indicating Washers)
واشرهای تخصصی که دارای برآمدگی‌های کالیبره شده هستند. با اعمال گشتاور، این برآمدگی‌ها فشرده می‌شوند. سفت کردن تا زمانی ادامه می‌یابد که شکاف بین واشر و مهره یا قطعه کار به یک مقدار از پیش تعیین شده برسد و نشان‌دهنده آن است که پیش‌بارگذاری مطلوب حاصل شده است.
۴. Preload و بارهای خارجی
هنگامی که یک اتصال پیچی به‌درستی پیش‌بارگذاری می‌شود، بار خارجی اعمال شده به سیستم (P_e) به‌طور کامل نیروی کششی پیچ را افزایش نمی‌دهد.
- بار P_e بین پیچ (F_b) و قطعات متصل (F_c) تقسیم می‌شود:
P_e = F_b + F_c
- تنها بخش کوچکی از بار خارجی (F_b) به نیروی کششی اولیه (F_p) اضافه می‌شود، در حالی که بخش اعظم آن (F_c) باعث کاهش نیروی فشاری بین قطعات می‌شود. این اثر، محافظت از پیچ در برابر خستگی را فراهم می‌کند، زیرا دامنه تغییرات تنش در پیچ کوچک می‌ماند.
آیا سوال دیگری در حوزه مهندسی یا کار در ارتفاع دارید؟
